Nghiên cứu một số tính chất của màng pectin lá sương sâm - chitosan

Bài viết Nghiên cứu một số tính chất của màng pectin lá sương sâm chitosan nghiên cứu tạo màng và xác định các tính chất chức năng bao gói thực phẩm của màng pectin – chitosan với các tỉ lệ phối trộn 100:0; 75:25; 50:50; 25:75 và 0:100.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Vol 81 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG PECTIN LÁ SƯƠNG SÂM - CHITOSAN STUDYING ON THE PROPERTIES OF PECTIN FILMS BASED ON YANANG LEAVES AND CHITOSAN Ngô Thị Minh Phương1*, Trần Thị Xô2 Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; hoiphuong01@yahoo.com.vn Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tranthixo@gmail.com Tóm tắt - Bài báo nhằm mục đích nghiên cứu tạo màng xác định tính chất chức bao gói thực phẩm màng pectin – chitosan với tỉ lệ phối trộn 100:0; 75:25; 50:50; 25:75 0:100 Tỉ lệ phối trộn pectin chitosan có ảnh hưởng đến tính chất màng tạo thành độ dày, độ bền kéo đứt, độ giãn dài, độ đàn hồi, độ thấm nước, độ hòa tan, độ truyền khí oxy Kết nghiên cứu cho thấy, màng tạo thành với tỉ lệ 50:50 tốt có độ hịa tan thấp 9,09%, độ bền kéo đứt cao 19,7 MPa, độ thấm nước thấp 0,93 g.mm/m2.ngày.kPa, độ truyền nước thấp 21,34 g/m2.ngày, độ truyền khí oxy thấp 51,49 cc/m2.ngày Và đặc biệt, màng có tham gia chitosan có khả kháng chủng vi sinh vật gây hư hỏng cơng nghệ bảo quản thực phẩm nói chung Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus niger E coli Với tính chất này, màng pectin-chitosan với tỉ lệ 50:50 ứng dụng làm màng bao có hoạt tính để bảo quản thực phẩm Abstract - This study aims to make films and determines some functional packaging properties of pectin-chitosan films with ratios of pectin:chitosan 100:0; 75:25; 50:50; 25:75 and 0:100 The effects of ratios of pectin-chitosan incorporation on the thickness, tensile strength, elongation, water vapor permeability, water solubility, oxygen transmission rate are investigated The results show that the addition of chitosan to the pectin films with ratio 50:50 increases tensile strength 19.7 MPa; reduces water solubility to 9.09%, water vapor permeability of 0.93 g.mm/m2.day.kPa, water vapor transmission rate of 21.34 g/m2.day, oxygen transmission rate of 51.49 cc/m2.day Especially, pectin-chitosan films inhibit growth of Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus niger and E coli So pectin-chitosan films with ratio of 50:50 can be used as active packaging film to extend the shelf-life of food Từ khóa - chitosan; độ bền học; độ thấm nước; độ truyền khí oxy; pectin Key words - chitosan; mechanical strength; water vapor permeability; oxygen transmission rate; pectin Đặt vấn đề Hiện nay, nhà nghiên cứu ngày quan tâm nhiều đến polyme tự nhiên chúng phong phú, đa dạng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực vật liệu sinh học Polysaccharide chia thành loại: loại mang điện tích khơng mang điện tích Loại polysaccharide mang điện tích mang điện tích dương mang điện tích âm Tương tác tĩnh điện xem mạnh so với tương tác loại liên kết thứ cấp khác Pectin chitosan số vật liệu Pectin phân loại thuộc nhóm polyanionic (-COO-) chitosan thuộc nhóm polycationic (-NH3+) Sự kết hợp pectin chitosan tạo nên mạng lưới khơng gian đặc biệt tạo màng, tạo gel ứng dụng lĩnh vực y tế, nơng nghiệp, mỹ phẩm thực phẩm (Hình 1) [1] trình tạo màng, cụ thể xác định tiêu, tính chất màng tạo thành Từ đó, chọn màng tốt sử dụng để làm màng bảo quản thực phẩm Hình Tương tác pectin chitosan Hơn nữa, màng tạo thành từ nguyên liệu chitosan có khả kháng vi sinh vật, tính chất cần thiết lĩnh vực ứng dụng cơng nghệ bao bì thực phẩm, cơng nghệ y dược [1] Mục đích báo nghiên cứu khả tương tác pectin chitosan phối hợp với tỉ lệ khác Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên liệu Pectin chiết xuất từ sương sâm theo quy trình báo [2], có số DE = 48,36 thuộc nhóm LMP Chitosan (CS) có khối lượng phân tử 70 kDa, số deacetyl hóa 90%, cung cấp Công ty TNHH MTV Chitosan Việt Nam Glycerol, calcium chloride mua từ Cơng ty hóa chất Xilong, Trung Quốc 2.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp chuẩn bị màng pectin-chitosan: Chuẩn bị dung dịch pectin dung dịch chitosan, sau phối trộn hai dung dịch pectin chitosan với tỉ lệ trình bày Bảng Tiến hành khuấy trộn để đồng hóa hỗn hợp Bảo quản hỗn hợp 4°C 24 để loại bỏ bọt khí Sau đổ dung dịch tạo màng vào khn có kích thước 15 cm x 15 cm lượng không đổi 60 g Để khô nhiệt độ 25±1°C độ ẩm 53±2% 24 giờ, sau sấy 40°C Bảo quản màng độ ẩm tương đối 53±2% ngày trước đem phân tích tiêu (Chuẩn bị dung dịch pectin: Pectin hịa tan nước nóng 60°C với nồng độ 2% Bổ sung glycerol với vai trò chất nhũ hóa với tỉ lệ 50% so với lượng chất khô polyme CaCl2 với hàm lượng 0,01g/g polyme Chuẩn bị dung dịch chitosan: Chitosan hòa tan dung dịch axit acetic 1,5% với nồng độ 2% Bổ sung glycerol với vai trị chất nhũ hóa với tỉ lệ 50% so với lượng chất khô polyme) Ngô Thị Minh Phương, Trần Thị Xô 82 Bảng Bảng ký hiệu thành phần loại màng pectin-chitosan Kí hiệu màng P P/CS1 P/CS2 Thành phần, % Kí hiệu màng Pectin 100 75 50 P/CS3 CS Chitosan 25 50 Thành phần, % Pectin 25 Chitosan 75 100 - Xác định độ dày màng: Độ dày xác định cách sử dụng thiết bị Mitutoyo (nhãn hiệu PCM 137, No.2046S, Nhật Bản) Tiến hành đo vị trí màng (4 góc tâm), sau lấy kết trung bình - Xác định độ hòa tan màng (%H) [3]: Màng cắt thành hình vng x cm sấy khơ đến khối lượng không đổi 60°C thiết bị sấy chân không, cân khối lượng ban đầu (Wđ) Sau đặt màng vào cốc chứa 20 ml nước cất, lắc 24 nhiệt độ 25°C Màng sau sấy khơ điều kiện, cân khối lượng (Ws) Độ tan màng tính tốn theo phương trình: %H  Wđ  Ws Ws 100 % - Xác định tính chất lý màng: Độ bền kéo (TS) độ dãn dài (E) xác định theo tiêu chuẩn ASTM, phương pháp D882 (1995b) - Xác định độ thấm nước [4]: Độ thấm nước (WVP) xác định theo phương pháp E95-96 (ASTM, 1995b) Mẫu màng cố định lên hộp nhôm có chứa sẵn silicagen để giữ độ ẩm ban đầu bên hộp 0% Sau đặt vào bình hút ẩm có điều chỉnh độ ẩm tương đối 53±2% dung dịch muối MgNO3 bão hòa Tiến hành đo sau 12 ngày để biết lượng nước hấp thụ qua màng Độ thấm nước tính theo phương trình sau: WVP  w x t A.P0 ( RH  RH ) Trong đó: w/t tốc độ thấm nước, tính hệ số hồi quy tuyến tính thay đổi khối lượng theo thời gian (g/h); x chiều dày màng (mm); A diện tích thấm màng (m2); P0 áp suất nước tinh khiết (3.159 kPa 25°C); (RH1- RH2) chênh lệch độ ẩm tương đối bên màng 0,5 - Góc tiếp xúc nước [5]: Mẫu màng trước đo phải giữ độ ẩm 53%, 25°C 48 Góc tiếp xúc nước đo thiết bị DSA30E (Cơng ty Krüss, Đức) Thể tích giọt nước cài đặt 10,0 ± 0,5µl, nhiệt độ 25,0 ± 0,1°C Nước nhỏ giọt bề mặt màng hình ảnh góc tiếp xúc chụp tự động sau giây phút - Độ truyền khí oxy màng [6]: Độ truyền khí oxy màng đo thiết bị Mocon (hiệu OX-TRAN®, mã số 2/21 Series, Hoa Kỳ) Các thí nghiệm phân tích nhiệt độ 23 ± 2°C, độ ẩm 75% áp suất 760 mmHg theo tiêu chuẩn ASTM D3985-05, 2010 Mẫu màng đem phân tích phải chuẩn bị với kích thước cm x cm Kết phân tích độ truyền khí oxy đơn vị diện tích đơn vị thời gian - Kiểm tra khả kháng vi sinh vật dung dịch tạo màng [7]: Kiểm tra khả kháng số chủng vi sinh vật đặc thù thực phẩm E coli, Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus niger phương pháp khuếch tán giếng thạch Chuẩn bị dung dịch chứa loại vi sinh vật nghiên cứu nồng độ 106 CFU/ml Chuẩn bị môi trường thạch BHI để nuôi cấy E.Coli, môi trường thạch Sabouraud để nuôi cấy Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus niger Tạo giếng thạch có đường kính mm, sau cho 0,2 ml dung dịch tạo màng vào bên giếng thạch, cấy vi sinh vật lên đĩa petri, ủ tủ ấm nhiệt độ 30°C thời gian 48 giờ, lấy đo đường kính vịng kháng khuẩn - Kiểm tra cấu trúc màng kính hiển vi điện tử quét SEM: Sử dụng thiết bị JEOL, JSM-5910LV, Tokyo, Nhật Bản Chuẩn bị mẫu cách nhúng mẫu vào dung dịch nitơ lỏng, sau phủ vàng lên bề mặt điều kiện chân không Cấu trúc bề mặt màng quan sát độ phóng đại 1.000 lần - Phương pháp xử lí số liệu: Các số liệu thống kê phân tích phương pháp phân tích phương sai ANOVA, sử dụng phần mềm Minitab (Phiên 16.2.3.0; Minitab Inc., USA) Sử dụng kiểm định Fisher để so sánh khác giá trị trung bình tính chất màng mức ý nghĩa 0,05 Kết thảo luận 3.1 Độ dày tính chất học màng Tính chất học tính chất quan trọng màng làm nhiệm vụ bảo vệ bảo quản nguyên vẹn tính chất chất bên Độ dày màng tham số quan trọng việc tính tốn xác định độ thấm nước, độ bền học số tính chất khác màng Kết đo độ bền học màng thể qua độ bền kéo đứt (TS), độ giãn dài (E) kết đo độ dày màng thể Bảng Bảng Độ dày độ bền học màng Loại màng P P/CS1 P/CS2 P/CS3 CS Độ dày (µm) TS (MPa) E (%) 54,0±2,50d 80,2±3,9ab 75±3,4b 85±4,2a 64±2,7c 7,1±0,2d 11,3±0,5c 19,7±0,9a 9,8±0,5c 15,5±1,2b 7,17±0,35c 8,9±0,4b 10,55±0,5a 9,8±0,85ab 8,55±0,45b Kết Bảng cho thấy độ dày màng chitosan lớn màng pectin Các màng kết hợp pectin chitosan có độ dày lớn so với màng pectin màng chitosan Màng hỗn hợp với tỉ lệ phối trộn 50:50 có độ dày thấp màng hỗn hợp Sự khác độ dày màng liên quan đến cấu tạo chất liên kết phân tử Màng P/CS2 có độ dày thấp nhất, giải thích có hình thành nhiều liên kết nhóm –NH3+ chitosan –COOH pectin tạo nên mạng lưới không gian bền chặt gọn Độ bền kéo đứt màng chitosan cao so với màng pectin Sự kết hợp chitosan pectin tạo nên màng hỗn hợp có độ bền kéo đứt cao so với màng pectin Khi hàm lượng chitosan màng tăng từ 25 đến 50% độ bền kéo đứt màng hỗn hợp tăng từ 11,3 đến 19,7 Mpa, hàm lượng chitosan tăng đến 75% độ bền kéo đứt giảm xuống đến 9,8% Có thể giải thích kết sau: Dung dịch chitosan tạo thành dung dịch ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Vol Bảng Giá trị hình ảnh góc tiếp xúc nước màng thời điểm ban đầu sau 12 giây tiếp xúc nước Loại màng Góc tiếp xúc nước, ° Ban đầu Sau 12 giây P 62,1±2,1c 45,2±2,9b P/CS1 97,1± 6,3b 95,4± 4,9a P/CS2 98,8±3,4ab 93,5±4,7a P/CS3 103,4±4,9ab 101,2±2,3a CS 108,4±3,9a 100,1± 2,4a Hình ảnh Ban đầu Sau 12 giây màng hỗn hợp kỵ nước Các nhóm chức ưa nước polyme thường có khuynh hướng ẩn vào bên để đạt lượng bề mặt thấp, xung quanh vùng khơng ưa nước; cịn nhóm khơng ưa nước tồn bề mặt Hàm lượng chitosan màng tăng, nhóm axetyl nhiều làm cho bề mặt thấm nước hơn, kết góc tiếp xúc nước tăng Kết góc tiếp xúc nước màng sau 12 giây cho thấy, màng pectin thấm nước nhanh có chứa nhiều nhóm ưa nước, màng hỗn hợp màng chitosan có số lượng nhóm ưa nước nên khoảng 12 giây tiếp xúc màng nước chưa xảy tương tác nhiều, nên góc tiếp xúc nước giảm không đáng kể so với ban đầu Vì tương tác xảy thời gian ngắn nên tỉ lệ phối trộn pectin chitosan không ảnh hưởng nhiều đến tương tác màng nước, nên góc tiếp xúc nước màng có chứa chitosan sau 12 giây khơng khác 3.3 Độ hòa tan màng Độ hòa tan tiêu quan trọng màng việc tạo màng ăn ứng dụng thực phẩm Kết độ hòa tan màng biểu diễn Hình 120 100a 100 Độ hịa tan, % axit acetic 1,5% có pH = 3,5 pKa chitosan 6,5 chuỗi mạch chitosan proton hóa hồn tồn Pectin có pKa = 3,5 pectin hịa tan nước có pH = tạo dung dịch pectin có pH = 4,5 - nên hầu hết pectin có nhóm mang điện tích âm Vì vậy, phối trộn, pectin chitosan có hình thành lực tương tác ion cation chitosan anion pectin, kết làm giảm lực đẩy tĩnh điện polyme Do vậy, màng hỗn hợp có độ bền kéo đứt cao so với màng pectin Vì chất chitosan có khả tạo màng có độ bền kéo đứt cao pectin, nên hàm lượng chitosan tăng độ bền kéo đứt màng hỗn hợp tăng, hàm lượng chitosan tăng đến 75% tổng thành phần hỗn hợp độ bền kéo đứt giảm, màng P/CS3 lực tương tác tĩnh điện pectin chitosan không tốt màng P/CS2 3.2 Góc tiếp xúc nước màng Góc tiếp xúc nước tham số thể khả thấm ướt bề mặt màng, sở để dự đốn tính chất hydrat hóa màng Kết góc tiếp xúc nước màng biểu diễn Bảng 80 65.8b 51.64c 60 40 9.09d 20 3.57e P Theo Heba Isawi cộng sự, màng ưa nước có góc tiếp xúc 0°< θ < 90°, cịn màng khơng ưa nước có góc tiếp xúc 90°